花岗岩洞渣特性与工程应用研究

韦永正

(广西长长路桥建设有限公司，广西 南宁 530007)

0 引言

近年来各类工程建设都在大量使用机制砂。2017年广西发布了机制砂应用地方标准《机制砂及机制砂混凝土应用技术规范》，进一步推动和规范机制砂在该地区公路工程中的应用。为提高公路工程机制砂应用水平，国家工信部联合国家发改委、交通运输部等部门于2019年下半年和2020年上半年先后发布了《关于推进机制砂石行业高质量发展的若干意见》《关于促进砂石行业健康有序发展的指导意见》，提出了对机制砂石“严格质量管控、实施标准引领”的要求并贯彻落实绿色发展理念。机制砂得到国家层面的大力支持和推广，鉴于此，本文依托广西某在建高速公路项目，重点研究了花岗岩洞渣机制砂的特性及工程应用中混凝土及水稳层的各项性能，为后续其他工程使用花岗岩提供技术参考。

1 花岗岩母岩和机制砂特性研究

该项目各工区花岗岩洞渣颜色差别不大，但经检测得知其矿物成分不同，这给花岗岩洞渣的利用增加了难度。因此，有必要对不同时期花岗岩洞渣机制砂的性能进行分析，了解其变化。经过半年的跟踪和试验，得到试验数据如表1所示。

表1显示，各工区洞渣母岩样品强度均较高，超过110 MPa，波动范围不大，因此从强度来说完全满足混凝土对原材料的要求。根据半定量法分析，不同时期花岗岩母材的矿物成分比例有所变化，主要表现在有害成分云母含量的不同。对于一工区和三工区，云母占比一直处于高位，超过规范对云母含量的限制，且变化幅度较大，特别是一工区，这给调整混凝土配合比带来很大的困难，也不利于混凝土质量的控制；而二工区云母含量相对较低，这对于混凝土配合比的控制是较为有利的。

抽取不同时段生产的花岗岩洞渣机制砂进行试验，结果如表2所示。由表2可知，洞渣机制砂压碎值均超过现行规范的最低要求，这与花岗岩母材在加工过程中剥落的软弱颗粒、半风化岩及云母等有较大的关联。抽检试验的机制砂样品中石粉含量均在10%上下波动，细度模数在2.6～2.8之间，机制砂级配相对稳定；除二工区外，一、三工区洞渣花岗岩机制砂不同时期的MB值均不合格，由于洞渣洁净，基本排除了含泥量对亚甲蓝吸附的影响因素，可见云母类矿物是导致MB值增大的主要原因[1]。机制砂国标和广西地标里均对机制砂石粉含量做了规定[2-3]，特别是MB值不合格时，应对其石粉含量加以严格限制。经调查，采用重力和磁选的方法可以降低石粉中的云母含量，具体效果如何还有待进一步研究。

表1 各工区隧道不同时期花岗岩洞渣母岩性能分析表

表2 各工区隧道不同时期花岗岩洞渣机制砂相关技术

2 花岗岩洞渣的工程应用研究

2.1 花岗岩洞渣在混凝土中的应用

花岗岩用于混凝土中的最大问题是使混凝土坍落度损失快、早期强度偏低。解决途径是选择高性能缓凝减水剂、控制单位用水量并适当增加水泥用量。选用C40、C30、C20标号强度等级的混凝土进行试配，配合比如表3所示。由于试验过程中同源材料试配各标号混凝土呈现的变化大体相同，本文只取C30混凝土性能指标来分析花岗岩洞渣机制砂的使用性能。

表3 花岗岩洞渣机制砂混凝土配合比设计表(kg/m3)

另外，保持胶凝材料的水胶比相同，通过调整外加剂掺量也可保持混凝土初始坍落度的一致性。由表3和图1可知，一、三工区洞渣机制砂比二工区洞渣机制砂需水量稍大。在试拌过程中发现各工区混凝土坍落度损失对比明显，二工区表现相对较好，三工区较差，一工区最差，1 h和1.5 h后混凝土拌和物局部出现浆体不流动、裹不住石子等现象。图2表明，各工区花岗岩混凝土7 d强度相对偏低，28 d强度增长较慢，但56 d强度仍有所上升。由此可见，除水胶比和胶凝材料用量外，机制砂母岩矿物成分对混凝土具有较大影响。这可能是由于花岗岩洞渣是酸性石材，加上云母等有害物质，浆体的胶结能力较差，导致水泥浆体硬化速度下降、强度增长较慢。因此，建议该项目花岗岩洞渣机制砂应慎用于C40及以上标号混凝土，可用于C30、C20等中低标号混凝土，并根据需水量的变化及时调整胶凝材料和外加剂掺量，以保证混凝土强度。

图1 C30混凝土坍落度变化 曲线图

图2 C30混凝土强度变化 柱状图

2.2 花岗岩洞渣在路面垫层和水稳层的应用

隧道将项目隔成四个工区，有四个洞渣碎石加工场，生产的机制砂和碎石来源多、质量不稳定，试验部门联合材料部门不定期巡检，将材料分区堆放，含粉量超标的机制砂和瓜米石用作路面垫层和水稳层原材料，以达到充分、合理利用地材的目的，提高其利用效率。

在路面垫层施工过程中，关键是控制好混合料的级配和含水率。水泥稳定碎石作为半刚性基层，对强度要求不高，但并不意味着花岗岩洞渣机制砂的使用无风险；相反，无机结合料的水泥剂量通常限定在7%以内，比混凝土中水泥用量要低得多。因此，花岗岩洞渣机制砂的技术指标不能降低要求，选择合理的碎石级配、适宜的水泥剂量才能满足路面水稳层的各项指标要求。

经过前期两段试验路总结，选择合适的水泥剂量、生产过程中不断调整砂石比例、维持6.5%左右的含水率，可使水稳料效果最好，各项数据指标符合设计要求，可在后续路面基层施工中推广。花岗岩洞渣机制砂的使用既解决了项目砂石短缺的困境，又减少了对外购买砂石的依赖，给项目节省成本、创造利润，取得了较好的经济效益。

3 结语

(1)花岗岩洞渣母岩抗压强度较高，但加工后的机制砂压碎值较大；各工区花岗岩洞渣矿物中均含有一定量的云母，但比例不同，且随隧道的掘进情况而变化。

(2)花岗岩矿物中的云母含量超标不利于混凝土保坍，并引起混凝土强度下降，因此需对花岗岩洞渣机制砂中的石粉含量加以限制。

(3)花岗岩洞渣机制砂需水量大，骨料与水泥浆体的胶结性能较差，导致混凝土强度增长缓慢、早期强度低，但28 d后强度仍在增长，建议以56 d强度作为评判时间标准。

(4)花岗岩洞渣应用于路面水稳层的关键是控制好水泥剂量和合理的骨料级配。